Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu này sẽ cho bạn cái nhìn tổng quát về anten mimo băng thông siêu rông
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN ĐA ĐẦU VÀO ĐA ĐẦU RA BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG Sinh viên thực hiện : Giảng viên hướng dẫn: Hà Nội - tháng 6 năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: .…………….………….…… Số hiệu sinh viên: ……………… Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ……………… 1. Đầu đề đồ án: ……………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………… 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… ……………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………….… ……………………… ………… 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………… ……………… …. ……………………………………………………………………………………………… …………………………………… …. ……………………………………………………………………………………………… ……………………………… Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……………………………………………………………………………………………… ……………………… …. ……………………………………………………………………………………………… ………………………… ……….…………………………… 4. Họ tên giảng viên hướng dẫn :……………………………………………………… … 5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….…………… 6. Ngày hoàn thành đồ án: …………………………………………………………… … Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên: Ngành: Khoá: Giảng viên hướng dẫn: Cán bộ phản biện: 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) Lời nói đầu Trong truyền thông nói chung thì có hai vấn đề cần phải quan tâm đó là: tốc độ dữ liệu và độ tin cậy truyền tin. Với truyền thông không dây thì hai vấn đề này là quan trọng hơn cả và mọi thiết kế đều phải dựa trên hai thông số này làm sao cho tốc độ dữ liệu ngày càng tăng và độ tin cậy ngày càng cao. Trong truyền thông không dây thì có hai hiện tượng gây trở ngại cho hệ thống của chúng ta đó là: Fading và giao thoa giữa các ký hiệu. Do đó, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu thì cần phải có băng thông lớn nhưng điều này bị hạn chế vì dải tần số là một tài nguyên khan hiếm. Đồng thời, muốn chất lượng tín hiệu được cải thiện và giảm ảnh hưởng của phading thì máy phát phải đạt được công suất đủ lớn hoặc tăng kích thước anten để duy trì hiệu suất bức xạ; tuy nhiên, đối với những thiết bị di động cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn thì không thể áp dụng phương pháp này được. Hiện nay, hệ thống anten sử dụng nhiều phần tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu hay còn gọi là kĩ thuật đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) đã được ứng dụng trong kĩ thuật anten. Nó đem lại nhiều ưu thế về chất lượng truyền tín hiệu cũng như tốc độ truyền tải dữ liệu. Kĩ thuật MIMO ra đời nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm trên trong hệ thống thông tin vô tuyến. Băng thông rộng không còn là một điều mới mẻ trong thông tin di động nữa, mà nó trở thành một đặc điểm thiết yếu trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như: truyền hình chất lượng cao, truyền hình di động, Internet băng thông rộng, game trực tuyến, giải trí đa phương tiện hay giao tiếp giữa các thiết bị trong khoảng cách ngắn. Một giải pháp được đưa ra là sử dụng các thiết bị hoạt động ở một dải tần siêu rộng từ 3.1Ghz đến 10.6Ghz, gọi là dải tần siêu rộng (UWB). Đây là dải tần không phải đăng kí và đã có các tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống UWB hoàn chỉnh. Tuy nhiên. nhu cầu con người không ngừng gia tăng và trong tương lai không xa khi băng tần của hệ thống UWB không còn phù hợp nữa thì công nghệ mới phải ra đời. Khi đó, công nghệ Extremely Wide-band (EWB) sẽ là hướng đi 5 mới phù hợp với tiến trình phát triển của thời đại. Công nghệ này với dải tần hoạt động cực kỳ rộng từ vài GHz đến vài chục GHz sẽ được áp dụng cho những thiết bị đầu cuối vô tuyến đa băng tần. Với dải tần bao trùm toàn bộ băng tần của các hệ thống như: WLAN, WiMAX, UWB… thì anten EWB hoàn toàn có thể được sử dụng để hoạt động trong nhiều băng tần với nhiều hệ thống khác nhau. Cùng với đó việc thiết kế anten EWB cho hệ thống MIMO sẽ gặp nhiều thách thức và trở ngại. Vấn đề đầu tiên đặt ra là kích thước của anten phải nhỏ gọn đạt được yêu cầu của các nhà sản xuất thiết bị di động khi tích hợp vào sản phẩm của họ. Hơn nữa, trong hệ thống nhiều phần tử bức xạ, ảnh hưởng tưỡng hỗ giữa chúng là đáng kể, hiện tượng này cần phải được giảm thiểu để nâng cao độ ổn định và hiệu suất bức xạ của hệ thống. Anten vi dải là một loại anten có nhiều ưu điểm thỏa mãn được các yêu cầu đặt ra ở trên: nhỏ gọn, có thể tích hợp được trên nhiều bề mặt khác nhau, dễ chế tạo, rẻ tiền. Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra là thiết kế anten vi dải ứng dụng trong hệ thống đa đầu vào đa đầu ra băng thông siêu rộng. Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từ các thầy cô trong viện Điện tử Viễn Thông, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của Th. S. xxxx, Bộ môn Hệ Thống Viễn Thông, viện Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, giảng viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy và các thầy cô trong viện Điện tử Viễn Thông. Qua đây, tôi xin cảm ơn thầy giáo PGS. TS. xxx, Bộ môn Hệ Thống Viễn Thông, viện Điện Tử Viễn Thông, người đã giúp đỡ tôi trong việc định hướng và các cơ sở vật chất để hoàn thành đồ án. Tôi cũng xin cảm ơn tất cả các bạn trong phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển truyền thông CRD, tầng 6 thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã góp ý và chia sẻ kinh nghiệm với tôi trong hơn một năm qua. 6 Tóm tắt đồ án Khi kĩ thuật đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) được ứng dụng cho anten băng thông siêu rộng, nó đem lại cho hệ thống khả năng truyền tải một khối lượng dữ liệu lớn hơn mặc dù không có sự mở rộng về băng thông. Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống này gặp phải nhiều khó khăn trong việc giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ mà tác động của nó tới chất lượng tín hiệu là đáng kể. Mục đích của đồ án này là nghiên cứu và thiết kế mô hình anten vi dải làm việc ở dải tần siêu rộng từ xấp xỉ 2.7Ghz đến 20Ghz. Đồng thời kết hợp với kĩ thuật MIMO, tính toán, đánh giá và tìm cách giảm thiểu tác dụng tương hỗ giữa các anten để từ đó có thể chế tạo thử nghiệm. Trên thực tế, tôi đã tiến hành thiết kế thành công mô hình cho mức độ tương hỗ giữa các anten thành phần thỏa mãn yêu cầu đặt ra, trong đó, các thông số truyền đạt, đồ thị bức xạ phương hướng và đặc biệt là kích thước hệ thống đã được tối ưu. Trong mô hình tôi đề xuất, hệ hai anten nằm trên cùng một đế bán dẫn và ở cũng một mặt. Với hai phiến bức xạ kim loại được cấu tạo bởi những đường gấp khúc hoạt động như một cấu trúc biến đổi đều có tác dụng làm tăng băng thông mà băng thông của anten MIMO hoạt động ở dải tần số rất rộng từ 2,7 GHz đến 20 GHz. Để giảm tác động tương hỗ giữa các phần tử anten đơn thì cấu trúc hai stub được thêm vào giữa hai phiến bức xạ. Cuối cùng, nhờ vào kích thước nhỏ, anten được đề xuất có thể tích hợp vào các thiết bị di động cầm tay. 7 Abstract Once the Miltiple-input Multipe-output technology is applied in the field of Ultra Wideband antena technique, this will offer the ability of data transmitting with a huge amount of capacity though the bandwidth of the channel is limited. However, in the process of designing this system, we could suffer the problem in reducing the mutual coupling proportion between antenna elements so that the signals in the operating system can’t be interfered. The aim of this project is a method of designing and simulating an antenna model which operates at the extremely wide band of frequency from 2.7 Ghz to 20 Ghz after finishing the process. In addition, by futher development with Multi input Multi output, the antenna system with much higher effeciency will be offered. The caculation, analysis, estimation of the system can be difficult because of the effect of mutual coupling between antenna elements. After reseaching deeper of antenna field, I did success of producing a model which has a low mutual coupling, low return loss, omnidirectional radiation partern and the optimum dimensions of the system. In the proposed system, MIMO model is constructed by placing two single antennas side by side. With the radiation patchs is structured by broken lines for producing a gradually variant structure to increase bandwidth, the designed antenna satisfies the voltage standing wave ratio (VSWR) requirement of less than 2.0 in an extremely wide frequency band ranging from 2.7 GHz to 20 GHz. To reduce mutual coupling to be used in diversity antenna environment, two stubs are added between two patches. And then, this antenna can be intergrated in lots of handheld devices because of its compact dimensions. 8 Mục lục 9 Danh sách các hình vẽ Danh sách các bảng biểu Bảng danh sách các từ viết tắt và đối chiếu thuật ngữ Anh Việt CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã COFDM Coded OFDM OFDM mã hóa DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DSSS Direct Sequence Spreading Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp FCC Federal Communications Commission Hội đồng truyền thông liên bang GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ sư điện và điện tử LAN Local Area Network Mạng cục bộ MB- Multi Band-OFDM OFDM đa băng 10 [...]... monopole) Anten khung (Loop antenna) Anten dãy (Array antenna) Anten loa bề mặt gấp (Folder horn antenna) Anten phát xạ xung (Impulse Radiating Antenna) Anten vi dải (Microstrip antenna) Trong đồ án này, tôi đã sử dụng anten vi dải để thiết kế hệ anten MIMO cho hệ thống bởi vì anten vi dải có những đặc điểm sau: BẢNG 2 2 CÁC ĐẶC ĐIỂM YÊU CẦU ĐỐI VỚI ANTEN UWB CỦA THIẾT BỊ DI ĐỘNG Độ rộng băng tần... đầu ra 2.1 Công nghệ băng thông siêu rộng Ultra Wideband Ultra Wideband hay còn được gọi là công nghệ băng thông siêu rộng bao gồm nhiều tiêu chuẩn để xây dựng nên một hệ thống giao tiếp không dây hoạt động ở băng tần siêu rộng không cần đăng kí 3.1Ghz – 10.6Ghz 2.1.1 Lịch sử công nghệ băng thông siêu rộng Ngay từ những năm sáu mươi của thế kỉ trước, công nghệ băng thông siêu rộng đã được áp dụng cho... của các kỹ thuật đã có Tháng 5, 2004 : IEEE đưa ra chuẩn 802.15.4a cho các ứng dụng tốc độ thấp tiêu tốn cực ít năng lượng cũng dựa trên công nghệ băng thông cực rộng Tháng 8 năm 2004 : FCC chấp thuận cho các hệ thống sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng đứng độc lập, không phụ thuộc vào các công nghệ khác cũng sử dụng băng thông siêu rộng Từ đây, công nghệ băng thông siêu rộng trở thành một công... nghệ băng thông siêu rộng Băng thông siêu rộng về căn bản khác so với các công nghệ không dây băng hẹp và trải phổ như công nghệ Bluetooth và 802.11a/b/g/n UWB sử dụng một băng cực kỳ rộng của phổ tần số để truyền dữ liệu Do đó, UWB có khả năng truyền tải nhiều dữ liệu hơn đối với một chu kỳ thời gian so với các công nghệ truyền thống Tốc độ truyền dữ liệu qua đường truyền vô tuyến là tỷ lệ thuận với băng. .. bài toán Trước khi đi sâu nghiên cứu thiết kế một mô hình hệ thống anten MIMO EWB hoàn chỉnh, ta hãy điểm qua một số các sự kiện trên thế giới về ứng dụng của công nghệ băng thông siêu rộng (UWB), để thấy được rằng, công nghệ băng thông siêu rộng có ý nghĩa to lớn thế nào đối với công nghệ truyền thông Với tốc độ phá vỡ kỉ lục so với tất cả các công nghệ truyền dẫn không dây khác, UWB được gán cho... tác lớn nhưng lại hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu Bảng 2.1 biểu diễn các tham số của công nghệ UWB tương ứng với các chuẩn truyền thông quốc tế khác với chuẩn truyền thông UWB 25 Hình 2 6 So sánh về độ rộng băng tần và mật độ phổ công suất BẢNG 2 1 BẢNG SO SÁNH THÔNG SỐ IEEE IEEE 802.11b 802.11g+ 1 Mb/s 11Mb/s Khoảng cách 10m Băng tần Thông số Tốc độ truyền (max) Độ rộng băng tần BlueTooth IEEE 802.11a... hẹp so với công nghệ UWB UWB là cách sử dụng phổ tần số mới duy nhất SS – spread Spectrum : trải phổ NB – Narrowband : Băng hẹp UWB – Ultra WideBand : băng thông cực rộng 21 Hình 2 1 Tổng quan công nghệ băng thông siêu rộng Dải tần số sử dụng rộng 7,5 GHz, từ 3,1GHz đến 10,6GHz Mỗi kênh chiếm độ rộng băng tần hơn 500 MHz, độ rộng băng tần của kênh phụ thuộc vào tần số trung tâm Để cho phép băng tần... các nghiên cứu này áp dụng trong quân sự Năm 1994 dự án nghiên cứu chính thức đầu tiên về công nghệ băng thông siêu rộng (UWB) được triển khai nhưng cũng không được công bố Tháng 2 năm 2002, Hội đồng truyền thông liên bang Mỹ (FCC – Federal Communications Commission ) cấp phép cho công nghệ băng thông siêu rộng, chính thức ra đời “UWB technique” Tháng 11 năm 2002, IEEE (Intitute of Electrical and Electronics... trình bày sơ lược về lịch sử phát triển, các đặc điểm cơ bản, những ứng dụng của công nghệ băng thông siêu rộng và so sánh công nghệ UWB với các công nghệ không dây hiện tại Ở cuối chương, những yêu cầu của anten cho công nghệ UWB cũng được nhắc đến Để thiết kế một anten vi dải đáp ứng đủ yêu cầu cho công nghệ UWB, ta phải nắm rõ về anten vi dải và các kỹ thuật thiết kế anten băng rộng Chương sau sẽ... mong muốn đạt được trong thiết kế anten cho công nghệ băng thông siêu rộng 13 Đến chương II, những kiến thức tổng quan về công nghệ băng thông siêu rộng và hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) sẽ được trình bày Những lý thyết, kiến thức về phương trình Maxwell, điều kiện biên và phần mềm mô phỏng HFSS được đề cập đến ở chương III Cuối cùng, mô hình các anten được đề xuất để phân tích và thiết kế, cũng . được trong thiết kế anten cho công nghệ băng thông siêu rộng. 13 Đến chương II, những kiến thức tổng quan về công nghệ băng thông siêu rộng và hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) sẽ được trình. kể. Mục đích của đồ án này là nghiên cứu và thiết kế mô hình anten vi dải làm việc ở dải tần siêu rộng từ xấp xỉ 2.7Ghz đến 20Ghz. Đồng thời kết hợp với kĩ thuật MIMO, tính toán, đánh giá và tìm. ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN ĐA ĐẦU VÀO ĐA ĐẦU RA BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG Sinh viên thực hiện : Giảng viên hướng dẫn: Hà Nội - tháng 6 năm 2011 BỘ